經(jīng)過(guò)12年的努力，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員已經(jīng)完成了“SpiNNaker”超級(jí)計(jì)算機(jī)的建造。

它可以通過(guò)多達(dá)一百萬(wàn)的處理單元模擬多達(dá)十億神經(jīng)元的內(nèi)部運(yùn)作。

人類(lèi)大腦中大約有1000億個(gè)神經(jīng)元，通過(guò)數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的突觸交換信號(hào)。

盡管這些數(shù)字令人印象深刻，但數(shù)字大腦模擬需要的遠(yuǎn)不止原始的處理能力：相反，需要的是對(duì)大多數(shù)計(jì)算機(jī)所基于的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的徹底反思。

“大腦中的神經(jīng)元通常有幾千個(gè)輸入;其中一些高達(dá)25萬(wàn)。”斯蒂芬·弗伯(Stephen Furber)教授是SpiNNaker項(xiàng)目的發(fā)起人，他告訴我們。

“所以問(wèn)題在于溝通，而不是計(jì)算。高性能的計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)快速地將大塊數(shù)據(jù)從一個(gè)地方發(fā)送到另一個(gè)地方，但神經(jīng)模型所需要的是將非常小塊的數(shù)據(jù)(代表一個(gè)脈沖)從一個(gè)地方發(fā)送到許多其他地方，這是一個(gè)完全不同的通信模型。”

研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)一種大規(guī)模的并行架構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，在這種架構(gòu)中，一百萬(wàn)內(nèi)核中的每一個(gè)內(nèi)核都能夠發(fā)送微小的“信息包”(大小僅為72比特)，這些信息由內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)路由到各自的目的地。

有了這種架構(gòu)，超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)該能夠很容易地模擬老鼠大腦中的1億個(gè)神經(jīng)元。

然而，即使是一個(gè)特別的設(shè)計(jì)，它本身也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠：為了建立一個(gè)合適的大腦模型，你還需要正確的連接。

“要建立一個(gè)老鼠的大腦模型，原則上，我們需要知道每一個(gè)神經(jīng)元以及它與大腦中其他神經(jīng)元的連接，”Furber告訴New Atlas。

“在實(shí)踐中，這是一個(gè)不可行的數(shù)據(jù)收集量，所以我們必須滿(mǎn)足于神經(jīng)元類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)分布和統(tǒng)計(jì)連通性數(shù)據(jù)，這樣我們才能構(gòu)建一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)代表性的大腦模型。”

“這樣的模型現(xiàn)在確實(shí)存在，盡管它們?cè)谀承┑胤椒浅４植?mdash;—它們被拿來(lái)與繪制地球地圖的第一次嘗試相比較，后者的精確度變化很大，完全忽略了澳大利亞，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它。”

雖然一對(duì)一神經(jīng)元映射在短時(shí)間內(nèi)可能不會(huì)發(fā)生，但即使是一個(gè)粗略的嘗試也能提供有趣的結(jié)果。

舉例來(lái)說(shuō)，研究人員可以建立一個(gè)計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬視覺(jué)皮層的老鼠，“顯示”一個(gè)圖像，這會(huì)被轉(zhuǎn)化成一連串的視神經(jīng)峰值，并學(xué)習(xí)如何這樣的信號(hào)是由皮質(zhì)處理，甚至如何使用輸出控制虛擬老鼠或物理機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

Furber告訴我們，該系統(tǒng)也有潛力發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于諸如學(xué)習(xí)等高級(jí)功能是如何在大腦中工作的。

“我們已經(jīng)在突觸層面上支持了大量的學(xué)習(xí)過(guò)程，包括多巴胺增強(qiáng)可塑性，這是一種生物學(xué)上可信的強(qiáng)化學(xué)習(xí)形式。”

“不過(guò)，雖然在SpiNNaker身上，把這些局部可塑性規(guī)則整合到一個(gè)類(lèi)似大腦的高級(jí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中是可能的，但這也拓展了我們對(duì)建立這種系統(tǒng)的理解，從而我們可以宣稱(chēng)‘這就是大腦的學(xué)習(xí)方式’。”

研究小組已經(jīng)用這個(gè)系統(tǒng)模擬了大腦中一個(gè)叫做基底神經(jīng)節(jié)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域是帕金森氏癥的影響區(qū)域。

事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)有潛力在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供進(jìn)步，特別是在藥物測(cè)試方面，盡管研究人員相信他的研究對(duì)真正的病人的影響可能需要幾十年才能實(shí)現(xiàn)。

Furber和他的同事現(xiàn)在正在研究第二代機(jī)器SpiNNaker2，它使用升級(jí)的硅技術(shù)來(lái)提供10倍的功能密度和能源效率。

這將使整個(gè)昆蟲(chóng)大腦模型的創(chuàng)建成為可能。

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